Reference Nodes Selection for Anchor-Free Localization in Wireless Sensor Networks

Dizertační práce se zabývá návrhem nového bezkotevního lokalizačního algoritmu sloužícího pro výpočet pozice uzlů v bezdrátových senzorových sítích. Provedené studie ukázaly, že dosavadní bezkotevní lokalizační algoritmy, pracující v paralelním režimu, dosahují malých lokalizačních chyb. Jejich nevýhodou ovšem je, že při sestavení množiny referenčních uzlu spotřebovávají daleko větší množství energie než algoritmy pracující v inkrementálním režimu. Paralelní lokalizační algoritmy využívají pro určení pozice referenční uzly nacházející se na protilehlých hranách bezdrátové sítě. Nový lokalizační algoritmus označený jako BRL (Boundary Recognition aided Localization) je založen na myšlence decentralizovaně detekovat uzly ležící na hranici síti a pouze z této množiny vybrat potřebný počet referenčních uzlu. Pomocí navrženého přístupu lze znažně snížit množství energie spotřebované v průběhu procesu výběru referenčních uzlů v senzorovém poli. Dalším přínosem ke snížení energetických nároku a zároveň zachování nízké lokalizační chyby je využití procesu multilaterace se třemi, eventuálně čtyřmi referenčními body. V rámci práce byly provedeny simulace několika dílčích algoritmu a jejich funkčnost byla ověřena experimentálně v reálné senzorové síti. Navržený algoritmus BRL byl porovnán z hlediska lokalizační chyby a počtu zpracovaných paketů s několika známými lokalizačními algoritmy. Výsledky simulací dokázaly, že navržený algoritmus představuje efektivní řešení pro přesnou a zároveň nízkoenergetickou lokalizaci uzlů v bezdrátových senzorových sítích.The doctoral thesis is focused on a design of a novel anchor free localization algorithm for wireless sensor networks. As introduction, the incremental and concurrent anchor free localization algorithms are presented and their performance is compared. It was found that contemporary anchor free localization algorithms working in the concurrent manner achieve a low localization error, but dissipate signicant energy reserves. A new Boundary Recognition Aided Localization algorithm presented in this thesis is based on an idea to recognize the nodes placed on the boundary of network and thus reduce the number of transmission realized during the reference nodes selection phase of the algorithm. For the position estimation, the algorithm employs the multilateration technique that work eectively with the low number of the reference nodes. Proposed algorithms are tested through the simulations and validated by the real experiment with the wireless sensor network. The novel Boundary Recognition Aided Localization algorithm is compared with the known algorithms in terms of localization error and the communication cost. The results show that the novel algorithm presents powerful solution for the anchor free localization.

Machine Learning in Wireless Sensor Networks: Algorithms, Strategies, and Applications

Wireless sensor networks monitor dynamic environments that change rapidly over time. This dynamic behavior is either caused by external factors or initiated by the system designers themselves. To adapt to such conditions, sensor networks often adopt machine learning techniques to eliminate the need for unnecessary redesign. Machine learning also inspires many practical solutions that maximize resource utilization and prolong the lifespan of the network. In this paper, we present an extensive literature review over the period 2002-2013 of machine learning methods that were used to address common issues in wireless sensor networks (WSNs). The advantages and disadvantages of each proposed algorithm are evaluated against the corresponding problem. We also provide a comparative guide to aid WSN designers in developing suitable machine learning solutions for their specific application challenges.Comment: Accepted for publication in IEEE Communications Surveys and Tutorial

Sparse Localization with a Mobile Beacon Based on LU Decomposition in Wireless Sensor Networks

Node localization is the core in wireless sensor network. It can be solved by powerful beacons, which are equipped with global positioning system devices to know their location information. In this article, we present a novel sparse localization approach with a mobile beacon based on LU decomposition. Our scheme firstly translates node localization problem into a 1-sparse vector recovery problem by establishing sparse localization model. Then, LU decomposition pre-processing is adopted to solve the problem that measurement matrix does not meet the re¬stricted isometry property. Later, the 1-sparse vector can be exactly recovered by compressive sensing. Finally, as the 1-sparse vector is approximate sparse, weighted Cen¬troid scheme is introduced to accurately locate the node. Simulation and analysis show that our scheme has better localization performance and lower requirement for the mobile beacon than MAP+GC, MAP-M, and MAP-M&N schemes. In addition, the obstacles and DOI have little effect on the novel scheme, and it has great localization performance under low SNR, thus, the scheme proposed is robust